/湖南華菱線纜股份有限公司 丁炳湘 李華斌 江南工業(yè)集團有限公司 朱連香 楊蓓 張公卓 中南大學 陳鈺/

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的進步與發(fā)展，對電纜的特種性能要求也越來越多，電纜逐漸向綜合化、特種化發(fā)展。水下承力探測電纜是我公司根據(jù)某武器裝備系統(tǒng)的需要而設計、研制的一種水下用探測型電纜[1]，適用于某型號武器系統(tǒng)的點火、信號傳輸及控制。

1 電纜的設計原理

承重電纜長度為18m，需能承受3500N的拉力，具有結構緊湊、重量輕、縱向水密、柔軟特性，根據(jù)以上技術指標，設計電纜的拉力由承重繩來決定，防水性能由護套材料決定，因此，承重繩設計是承重電纜的關鍵，其次是防水護套。

1.1 材料選擇

根據(jù)電纜要求重量輕、防水、柔軟及承受較大拉力的特點，在設計中選用了以下四種材料：高強度纖維芳綸絲、鍍銀銅線、氟塑料和聚醚型熱塑性聚氨酯。

1.1.1 高強度纖維芳綸絲

高強度纖維芳綸絲具有伸長率小，抗拉強度大，不熔化，不助燃，熱穩(wěn)定性佳、重量輕、耐輻射性優(yōu)和耐腐蝕等優(yōu)點，早已運用在海底光纜及軍用野戰(zhàn)光纜上。因此項目組設計選用了進口高強度芳綸絲作為承重電纜的承重繩。

1.1.2 鍍銀銅線

承重電纜要求柔軟、重量輕，外徑要求嚴格，點火線還要承受一定的瞬時電流，因此，盡量減小導體截面而又能滿足承重電纜電性能要求成為導體性能設計的主要依據(jù)。而同等截面的鍍銀銅線比純銅導體電阻小、防腐性能優(yōu)越，因此項目組設計采用鍍銀銅線作為承重電纜的導體材料。

1.1.3 氟塑料

氟塑料絕緣性能好、強度高、耐高低溫、防腐性能優(yōu)越，用氟塑料作為導體的絕緣可以適當減小絕緣厚度，并保持電纜的絕緣性能不變。因此設計采用氟塑料作為承重電纜的絕緣層。

1.1.4 聚氨酯

聚氨酯材料在承重電纜中主要是保證電纜的機械物理性能，同時起到防水的作用。聚氨酯材料具有極好的耐磨性，抗拉強度高，耐油性能極佳，耐彎曲疲勞，基本不長霉，且擠出加工性能好等特點，已廣泛用于冶金、石油、汽車、選礦、水利、紡織、印刷、醫(yī)療、體育等工業(yè)部門。聚氨酯材料早已成熟地應用在電線電纜上，本設計采用聚氨酯材料作為承重電纜的防水層。

1.2 結構設計

1.2.1 承重電纜拉斷力性能設計

承重電纜承重繩采用的材料是高強度芳綸絲。其技術指標如表1。

根據(jù)表1可以得出:單股高強度芳綸絲斷裂負荷（拉斷力）= 平均抗拉強度*平均線密度 =20*222=4440 cN=44.4N，即每股高強度纖維絲可承受44.4N的拉力，因此選定80股高強度纖維絲即可承受44.4*80=3552N的拉力?？紤]到芳綸絲編織過程中的損耗，設計在16錠編織機上編制承重繩，每錠6股，總計16*6=96股，可承受44.4*96=4262.4N的拉力。對設計結果進行了驗證，滿足整根電纜的拉斷力不小于3500N的要求。

編織芳綸繩在拉力作用下會伸長，而導體的斷裂伸長率為14%，所以要求芳綸繩伸長率盡量小，以避免在大的拉力下導體拉細甚至斷裂，實驗對編織角度與伸長率進行了測試，得到編織角度與伸長率關系見圖1。

圖1 編織角度與伸長率關系

由圖1可以看出，芳綸繩的編織角度與其在拉力下的伸長率基本成反比關系，編織角度越大，伸長率越小，考慮到工藝實現(xiàn)，采用75-78度的編織角。

1.2.2 承重電纜導體電阻性能設計

點火線：承重電纜點火線要求電阻不大于1.60Ω/根，考慮到電纜加工過程中各種工藝因數(shù)的影響，導體結構采用7根直徑為0.2mm的鍍銀絞合銅線，計算電阻為78.44Ω/km，換算到電纜使用長度上為1.50Ω/根，滿足技術要求。

信號線：與點火線相同同。

屏蔽信號線：承重電纜屏蔽信號線要求電阻不大于0.50Ω/根，考慮到電纜加工過程中各種工藝因數(shù)的影響，導體結構設計用7根直徑為0.12mm的鍍銀絞合銅線，計算電阻為217.88Ω/km，換算到電纜使用長度上為0.42Ω/根。

表1 高強度芳綸絲主要技術指標

對以上設計結果進行了驗證，導體電阻性能滿足承重電纜導體20℃時直流電阻的技術要求。

1.2.3 承重電纜絕緣性能設計

承重電纜絕緣材料為氟塑料，氟塑料主要性能如表2：

a) 承重電纜絕緣電阻性能設計

根據(jù)表2，氟塑料體積電阻率為1×1016Ω·cm，設計絕緣厚度為0.25mm。

則1米長電纜絕緣電阻

式中：R—絕緣電阻，Ω·cm；

D—絕緣外徑，mm；

d—絕緣內徑，mm；

L—電纜長度，cm；

換算到電纜使用長度上，絕緣電阻為5.1×105MΩ，對設計結果進行了驗證，滿足常溫下整根電纜內任意一根絕緣線的絕緣電阻不小于20MΩ的技術要求。

b) 承重電纜絕緣耐壓設計

絕緣耐壓主要也是由絕緣材料的性能決定，根據(jù)表2中擊穿電壓性能，設計絕緣厚度為0.25mm，則絕緣耐壓應為0.25*30=7.5kV，工藝規(guī)定絕緣厚度最薄值應不小于0.2mm，因此絕緣耐壓為6kV，對設計結果進行了驗證，滿足電纜絕緣能承受工頻交流500V/1min電壓試驗不擊穿的要求。

1.2.4 承重電纜水密性能設計

承重電纜在水下使用，必須具備很好的抗水壓性能，承重電纜水密性能除與材料性能相關外，其余由加工工藝決定，對于護套防水材料，采用的是聚氨酯材料。聚氨酯材料主要性能如表3。

表2 氟塑料主要性能

表3 聚氨酯材料主要性能

根據(jù)表3，設計防水層最小厚度為0.4mm，則聚氨酯防水層抗拉強度為：0.4*25=10MPa，完全可以滿足0.5MPa的水壓不破裂。初樣經(jīng)客戶進行海洋摸底聲探測裝置試驗，密封性能滿足電纜水密要求。

1.2.5 承重電纜耐高溫性能、耐低溫性能、耐高低溫沖擊性能、耐鹽霧性能、耐霉菌性能、使用壽命設計

承重電纜的耐高溫性能、耐低溫性能、耐高低溫沖擊性能、耐鹽霧性能、耐霉菌性能、倉儲壽命等性能屬于功能特性，由承重電纜使用的非金屬材料性能決定，承重電纜中使用的非金屬材料有高強度芳綸絲、氟塑料和聚醚型熱塑性聚氨酯三種。

a) 對于高強度芳綸絲

高強度芳綸絲由于其分子鏈沿長度方向高度取向，并且具有極強的鏈間結合力，從而賦予這種纖維空前的高強度、高模量和耐高溫特性。高強度芳綸絲具有持久的熱穩(wěn)定性和超強的耐輻射性，在-196℃～204℃范圍內可長期正常運行，其電氣性能與機械性能的有效性可保持15年之久，用50kV的χ射線輻射100h，其纖維強度保持原來的73%，采用高強度芳綸絲作為承重電纜的承力元件，是完全可以滿足承重電纜功能特性的。

b) 對于氟塑料

絕緣用氟塑料材料采用的是進口的氟材料，材料性能見表2，這種氟塑料材料已大量用在軍用線纜上，氟塑料具有優(yōu)異的耐高溫性能、超乎尋常的熱穩(wěn)定性、良好的機械化學性能以及優(yōu)異的電氣性能，軍工行業(yè)使用氟塑料作為電線的絕緣材料已有40多年，因此用氟塑料是完全可以滿足承重電纜功能特性的。

c) 對于聚醚型熱塑性聚氨酯

聚醚型熱塑性聚氨酯材料性能見表3，聚氨酯材料在較寬的硬度范圍具有較高的彈性，極好的耐磨性，其磨損是在包括橡膠在內的所有彈性體中最小的，同時，它還具有突出的耐臭氧性能。聚氨酯在3%的臭氧濃度中，在20%的拉伸狀態(tài)下，500h后雖外觀有變色，其機械性能基本不變。

2 電纜制作工藝

承重電纜綜合起來共有13個技術指標，制作需要經(jīng)過10個工序，對產品質量影響較大的主要有：拉斷力、耐水密性能，這兩個技術指標分別在編織承重繩工序、制作扣環(huán)工序和擠包內外防水層工序中實現(xiàn)。承重電纜工藝流程如圖2。

生產工藝要點：在電纜制作過程中，各工序均需按照既定工藝，著力與工藝要點，確保工序質量，完善產品性能，關鍵工序要點如下。

圖2 承重電纜工藝流程圖

導體：要求導體絞合圓整、無跳絲、無斷絲，以防刺破絕緣。

扣環(huán)編織：芳綸繩與其他設備的連接一直是工業(yè)技術中的一個難題，石秀華等采用制作連接器插頭的方式，工藝較為復雜，本產品采用人工的方式，將編織狀的芳綸繩兩端織成環(huán)形，通過一個剛性的連接銷使其與連接器連接，在安裝時只要將剛性連接銷穿過芳綸繩兩端織成環(huán)形孔即可實現(xiàn)芳綸與連接器的連接，既省時又省力，是一個純機械的連接方式，不會對芳綸纖維造成任何損傷，解決了承重繩與電纜兩端的連接工藝技術難題。

外防水層：因電纜長度為18m，在外防水層擠出時，為滿足連續(xù)擠出，將已分開并完成編織扣環(huán)的半成品串聯(lián)起來，然后連續(xù)擠出外防水層。

3 電纜性能

經(jīng)制作后的電纜，檢測主要技術指標如下：

A、拉斷力：整根電纜的拉斷力不小于3500N。

B、絕緣電阻

常溫下，整根電纜內任意一根絕緣線的絕緣電阻應不小于20MΩ。

C、導體20℃時直流電阻：

點火線：不大于1.60Ω/根。

控制線：不大于0.20Ω/根。

信號屏蔽線：不大于0.50Ω/根。

D、絕緣耐壓

整根電纜內所有絕緣能承受工頻交流500V/1min電壓試驗不擊穿。

E、耐水密性能

整根電纜安裝換能器后，在0.5MPa的水壓下，保持5min不滲漏。

F、耐高溫性能

整根電纜在+65℃±2℃的條件下保持2h，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

G、耐低溫性能

整根電纜在-28℃±2℃的條件下保持2h，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

H、耐高低溫沖擊性能

整根電纜在+65℃±2℃條件下保持4h，然后在-28℃±2℃條件下保持4h，循環(huán)三次，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

I、耐浸漬性能

整根電纜（結合換能器）在常溫下浸入1m深的水中，保持2h，電纜兩端應無滴水現(xiàn)象，并滿足1、2、4條的要求。

J、 耐鹽霧性能

整根電纜連續(xù)噴鹽霧48h后，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

K、耐霉菌性能

整根電纜經(jīng)霉菌試驗后，試樣表面長霉程度符合GJB 150.10-86標準中2級規(guī)定，無物理損傷，并滿足1、2、4條的要求。

L、結構及外形尺寸

該電纜結構尺寸如圖3

如圖3中所示，兩芯端結構：由承重繩、2根點火線及內防水層組成，端頭2根點火線露出長度不小于200mm。

六芯端結構：由兩芯端、3根控制線、1根信號屏蔽線及外防水層組成，3根控制線和1根信號屏蔽線應并排緊密繞在兩芯端的內防水層上，端頭2根點火線，3根控制線、1根信號屏蔽線露出長度不小于200mm。

在兩芯端與六芯端交會處，3根控制線、1根信號線露出長度不小于80mm。

M、倉儲壽命

在標準軍用倉庫的條件下保存時間不小于12年。

圖3 水下承力探測電纜結構圖

N、適用環(huán)境范圍：-28℃～+65℃。

4 結論

（1）研制了一種總長度18m、承載力3500N以上的承重電纜，該電纜由內防水層和外防水層組成，內防水層包括一根承力元件，兩根絕緣線芯，它與外防水層一端結合成梯形接線端；外防水層包括均布于內防水層外的三根絕緣線芯及一根信號線，它與外防水層另一端的內防水層端結合成平齊接線端。

（2）選用芳綸纖維并采用編織方式結成繩狀作為承重材料，代替普通絞合的鋼絲繩承重，使電纜具有抗拉強度高、柔軟性佳、重量輕、耐候性能好等特點。

（3）將編織狀的高強度纖維繩兩端織成環(huán)形，通過人工的方式，發(fā)明了一種將編織狀的高強度纖維繩兩端織成環(huán)形的方法，解決了承重繩與電纜兩端的連接工藝技術難題。

（4）將整根電纜做獨特的成階梯型，在電纜中間部位安裝換能器元件時，無需將電纜剪斷，保證了電纜的特性。同時，采用先剪斷再連接的方法，實現(xiàn)了短段電纜的連續(xù)擠出。

[1] 丁炳湘,崔斌,楊蓓等.中國.水下承力探測電纜.[P]. ZL200810031708.8,2008.

[2] 徐應麟等.電線電纜手冊[M]. 機械工業(yè)出版社(第二版),2002,319-322.

[3] GB/T 9330-2008 塑料絕緣控制電纜. [S]. 中國國家標準化管理委員會,2008.

[4] GB/T 5023-2008 額定電壓450/750V及以下聚氯乙烯絕緣電纜. [S]. 中國國家標準化管理委員會,2008.

[5] 石秀華,孫武斌,李增楠等.承力芳綸電纜連接器技術研究. [J]. 機械設計1997,22-23.